JP4069016B2 - 検査装置および検査方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、検査装置および検査方法、特に、トンネル，橋梁，床版，建築物，工業製品などの内部に存在する欠陥を検出する非破壊検査装置および非破壊検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の検査装置においては、打撃検査装置は、検査対象物の表面に沿って走行させるための台車と、この台車に取り付けられ、検査対象物を打撃するための打撃手段と、台車に取り付けられ、打撃によって励起された音波又は振動を測定するための測定手段と、この測定手段によって測定された振動波形から、所定の振動波形の特性値を抽出するための特性抽出手段とこの特性抽出手段によって抽出された特性値を所定のしきい値と比較するための比較手段と、この比較手段による比較結果に基づいて、検査対象物に関する判定をするための判定手段とを有することを特徴としている。
更に、測定手段は検査対象物の表面を転がるためのコロがあり、コロはアームに取り付けられ、そのアームにはコロを検査対象物の表面に押しつけるためのバネが設けられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３３３４３７号公報（第１頁、図６）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の打撃検査装置は以上のように構成されているため、コロの弾性と、コロおよびアーム等の質量とによって形成される固有周波数に対応した振動成分や、押しつけバネとコロおよびアーム等の質量とによって形成される固有周波数に対応する振動成分を検出する必要があった。
一般に、このような機構が有する質量やバネ係数は、構造的な制約により自由に設計できるものではなく、欠陥が存在する場合に発生する振動成分が必ずしも効率よく検出できないという課題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、対象面への接触により対象面内部の振動を効率良く検出することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る検査装置では、測定対象面に接触しながら回転する回転体と、前記回転体の回転軸を受ける軸受とを備え、前記回転体の回転軸を曲げ歪により透磁率が変化する磁性材料で構成し、前記回転軸に電磁的に結合するコイルにより、前記回転軸に回転体から伝達される振動を検出し、かつ、前記回転軸のたわみ振動の共振周波数が所定の周波数以下となるように前記回転軸の形状と軸受位置を決定したものである。
また、この発明に係る検査方法では、測定対象面に接触しながら回転する回転体により測定対象の検査を行うにあたり、前記回転体により得られる前記測定対象面に発生する振動の所定周波数以下の振幅成分を選択的に電気信号に変換するとともに、計測対象面の面粗度に応じて回転体の速度を増減し面粗度による振動周波数を制御するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明による実施の形態１を図１ないし図４について説明する。図１は実施の形態１における全体構成を示す側面図である。図２は実施の形態１における欠陥が存在することにより発生する振動の周波数帯域を示す曲線図である。図３は実施の形態１における金属材料の逆磁歪特性を示す曲線図である。図４は実施の形態１における振動センサの検出信号を示す波形図である。
【０００８】
図１において、計測対象面（例えば道路舗装面）１０に接して回転する回転体１が設けられている。
この回転体１には、回転体１の回転軸２０を支承する軸受２を介して振動センサ３が接続されている。
振動センサ３には、軸受２と振動センサ本体３とを接続するセンサロッド３０に交差して垂直角方向に伸展された梁構造を有する板バネ３１が設置されている。
振動センサ３において、板バネ３１には板バネの金属材料をコアとしてさらにコイル３２が巻かれており、このコイルの出力はフィルタ４１に接続され、さらに信号処理装置４２に接続されている。
【０００９】
ここで、回転体１は例えば（硬化ゴム状の）弾性体で構成される。一般に凹凸のある面上を移動する弾性回転体の上下方向の振動は低速（低周波）において振動をよく伝達し、高速（高周波）においては振動が減衰する低域透過特性を有している。
この発明による回転体１では、特に数ｋＨｚ以下の低周波において伝達特性が良好であるような弾性体を選定している。
このため、対象面表面の面粗度によるような高周波の振動は吸収するが、それよりも周波数の低いたわみ振動の変動はセンサロッドに伝播させるような選択的特性を有する特性が実現される。
【００１０】
次に、振動センサ３０を構成するバネ３１について説明する。
この発明によるバネ３１は、板バネとしての曲げ剛性を有するとともに、磁気歪め効果を有する機構部品で構成される。
このため、バネ３１の素材は金属材料であり、例えば特開平１０−８８３０１号公報「鉄−コバルト合金板の製造方法」に開示されているＦｅ−Ｃｏ合金磁歪スラブ素材（例えば、Ｃ：０．００８重量％、Ｓｉ：０．０８重量％、Ｍｎ：０．０７重量％、Ｃｏ：４９．２２重量％、Ｖｔ：１．５４６重量％、Ｆｅ：残部）を加熱後、圧延終了温度約７５０〜１１００℃の条件下で４．０ｍｍ未満の板厚に熱間圧延し、その後直ちにジェット噴流により急冷するプロセスから生成されるような素材により構成される。
ここで例示した金属材料は、スラブ合金から薄板として製造され、これから容易に板バネ用の部材を切削加工することができ、また優れた磁気歪特性を有している。
【００１１】
次に、振動センサの機械的構成について説明する。
振動センサ３は振動センサの板バネ３１および振動センサの錘３３からなる片持ち梁の構造をなすよう構成されている。
この構造は、この構造特有の固有振動周波数ｆを有しており、次の式１により決定される周波数で表される。
ｆ＝（３ＥＩｇ／〔｛１＋（３３／１４０）α｝ｌ３ｗ〕）１／２／２π （式１）
ここで、ｌは板バネ３１のアーム長［ｃｍ］、Ｅは縦弾性係数［ｋｇ／ｃｍ２］、Ｉは断面二次モーメント［ｃｍ４］、ｗはバネ３１の単位長さ当たりの重量［ｋｇ／ｃｍ／ｃｍｓ２］である。また、αはα＝Ｗ１／Ｍｇで定義された係数である。いま、板バネ３１の重量Ｗｌに対して十分質量が大きい錘Ｍを付加することにより（α≪１）、共振周波数は上記式１で近似される周波数で共振する。
この発明においては、この共振振動数を数ｋＨｚ以下の周波数に設定しており、板バネ３１の縦弾性係数（Ｅ）およびアーム長（ｌ）ならびに錘３３の質量（Ｍ）を選定することにより、外部振動入力に対して選択的な振動応答を示すバネ−マス系が構成されている。
【００１２】
ここで選定された数ｋＨｚ以下の周波数帯域は、対象構造物内部に欠陥が存在する場合に顕著に観測されるたわみ振動の周波数であり、図３に示すように、対象物内部に存在する欠陥サイズと欠陥位置に対応し数ｋＨｚ以下の周波数が発生することが理論的に得られており、また実験的に確認されている。
【００１３】
なお、欠陥に起因する振動を発生させる手段としては対象面への機械的衝撃が考えられ、機械的なハマリング機構により対象面を打振することを前提としている。例えば、多角形の回転体を転がすことにより発生する定期的な打振力を利用してもいいし、またスプリング機構を有するハンマーで定期的に対象面を打振してもいい。
【００１４】
次に、動作について説明する。
計測対象面１０上を回転体１が回転移動し、計測ポイント上で機械的なハンマリング機構により計測対象面上を打振すると、この打振による衝撃により対象面内の欠陥と対象表面が形成する板構造が振動する。このため対象面１０の回転体と接触している部位の振動が垂直方向の振動成分を伝達し、回転体の回転軸を受ける軸受が振動し、さらに、上記軸受に接続されているセンサロッドに振動が伝わる。
【００１５】
以上のように対象面を打振する手段により発生した振動を、振動センサで選択的に検出する。以下、板バネがたわむことにより振動を検出する原理を示す。
図４は板バネを構成する磁歪材のひずみ−磁束密度変化の模式図を示す。この図に示すように、金属磁歪材から構成されるバネ３１の逆磁歪効果は、ひずみの変化（ξ２−ξ１＝Δξ）により、磁化の変化（ΔＭ＝Ｍ２−Ｍ１）を発生する。
すなわち、センサロッドの振動により発生する板バネのたわみ振動は、板バネアーム部の屈曲面の部分的伸縮を交互に生成せしめ、このひずみが磁歪材の透磁率を変化させ、結果としてバネ材内部の磁化が変化する。
この磁化の変化（ΔＭ）はアームに巻かれたコイルに電磁誘導を起し、コイル内にコイルの巻数に応じた起電力が発生する。振動の振幅が大きいほど板バネ３１のひずみが大きくなり、誘導される起電力は大きくなる。
【００１６】
一方、振動の周波数に応じてひずみの周波数も変化するため、誘導される起電力の周波数は外部から印加される振動の周波数と一致することとなる。このため、周波数の検出が可能になる。
ここで、板バネの形態を採用する理由は、磁歪材の弾性特性から梁構造が大きなひずみを生成しうるためであり、梁のたわみ理論から自明のように、曲げに伴うたわみ振動の固有周波数が数ｋＨｚレベルに周波数に設定するのに最適な構成である。
【００１７】
図４（ａ）は、コイルに誘起された起電力により流れる電流の波形例を示している。図で横軸は時間、縦軸は電流を示している。
この図が示すように、振動の大きさ、および周波数は電流の振幅、および周波数として検出される。
一方、図４（ｂ）は、前記図４（ａ）の時間応答をフーリエ交換し周波数スペクトルで表現したものである。
図から、振動応答が数ｋＨｚ以下の低周波であること、欠陥が存在するとき振動応答の特定周波数での振幅が大きくなることがわかる。
【００１８】
以上のように、検出された振動は電気信号（電流）に変換され、信号処理部４２に入力される。
信号処理部４２では予め設定された電気的フィルタ４１が用意され、入力された電気信号からさらに特定の周波数の信号が選択的に検出されることになる。
【００１９】
この実施の形態１に示す構成では、回転体１が移動することにより対象表面の面粗度（凹凸）に伴う振動が発生する。この振動は、対象面の面粗度と回転体の移動速度でその周波数が決まるような振動であり、例えば面粗度をなす要因がアスファルトのような材質で、その粗さが数ｃｍ（例えばアスファルト面）の場合、回転体の移動速度を数１０ｃｍ／ｓ（数ｋｍ／ｈｒ）とすると、数１０〜数１００Ｈｚとなるような振動である。
一般には、このような振動応答は、この発明により構成される振動センサの共振帯域を外れることとなる。
この実施の形態では、電気的フィルタ４１を設け、検出信号をフィルタ４１に通すことにより、このような面粗度に伴う雑音振動をさらに除去する。即ち、欠陥の検出信号とそれ以外の信号比であるＳ／Ｎ比の改善を図ることができる。
【００２０】
この発明による実施の形態１によれば、測定対象面１０に接触しながら回転する回転体１と、前記回転体１の回転軸２０を受ける軸受２とを備え、前記軸受２に接続され前記測定対象面に発生する振動の数ｋＨｚ以下の振幅成分、すなわち所定の周波数以下の振幅成分のみを選択的に電気信号に変換する振動センサ３を設けたので、所定の周波数以下の振幅成分のみを選択的に得ることによって、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる検査装置を提供することができる。
【００２１】
また、この発明による実施の形態１によれば、前項の構成内容において、前記振動センサ３は、板バネ３１からなる弾性部片と錘３３で構成され、そのバネ定数と質量で決まる共振周波数が数ｋＨｚ以下、すなわち所定の周波数以下になるように調整したので、弾性部片と錘からなる系の共振周波数を調整することによって、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる検査装置を提供することができる。
【００２２】
さらに、この発明による実施の形態１によれば、前項の構成内容において、前記の振動センサ３の板バネ３１からなる板状弾性部片は、曲げ歪により透磁率が変化する金属磁性材料で構成され、前記金属磁性材料で構成された板バネ３１からなる板状弾性部片と電磁的に結合されたコイル３２により板バネ３１からなる板状弾性部片に伝わる歪みを電気信号に変換するようにしたので、弾性部片の曲げ歪による透磁率の変化を利用することによって、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる検査装置を提供することができる。
【００２３】
そして、この発明による実施の形態１によれば、前３項のいずれかの構成において、面粗度により生じる振動信号を濾波するフィルタ４１を設けたので、面粗度により生じる信号を除去することによって、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出でき、しかも、測定対象面の面粗度による影響を抑制できる検査装置を提供することができる。
【００２４】
さらにまた、この発明による実施の形態１によれば、測定対象面への接触により回転する回転体１により測定対象の検査を行うにあたり、前記回転体１により得られる前記測定対象面に発生する振動の数ｋＨｚ以下、すなわち所定周波数以下の振幅成分のみを選択的に電気信号に変換するようにしたので、所定周波数以下の振幅成分のみを選択的にることによって、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる検査方法を提供することができる。
【００２５】
実施の形態２．
この発明による実施の形態２を図５に基づいて説明する。図５は実施の形態２における全体構成を示す上面図および側面図である。
この実施の形態２において、ここで説明する特有の構成および方法以外の構成内容および方法内容については、先に説明した実施の形態１における構成および方法と同一の構成内容および方法内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００２６】
図５は振動センサ３の構成要素である板バネとコイルの他の構成例を示している。図５（ａ）は上面図を示し、図５（ｂ）は側面図を示している。
図５に示すように、板バネ３１−１，３１−２，３１−３，３１―４は、センサロッド軸３０に対して垂直方向に放射状に伸展する複数の梁構造を有し（本例では４方向に伸展する梁構造を例示している）、板バネ３１−１，３１−２，３１−３，３１―４からなる複数の梁は、錘体３６と端部において接続されている。
錘体３６は板バネ３１−１，３１−２，３１−３，３１―４からなる複数の梁において共通に一体化された構造を形成し（本例では円筒構造にて例示、但し形状は円筒に限定されるものではない）、この構造により、機械的な強度が高まるとともに、構造全体で動作する振動を同位相で検出できる構造となっている。
また、各バネ３１−１，３１−２，３１−３，３１―４に交差するコイル３２−１，３２−２，３２−３，３２−４の出力はその信号出力が加算されるような接続（図示せず）を行っている。
この構成例では、先に示した図１の構成例と比較し、個々のコイルの出力が加算され、さらに大きな検出信号が得られる効果がある。
【００２７】
この発明による実施の形態２によれば、実施の形態１における構成内容において、前記振動センサには、振動センサ３の中心に位置するセンサロッド３０に対して放射状に延在する複数の梁構造を形成し、一端を前記センサロッドに結合し他端を前記複数の梁構造において共通の一体化された円筒状等の形状を有する錘３６に接続される磁性を有するバネ３１−１，３１−２，３１−３，３１―４からなる複数の弾性部片が設けられ、前記複数の梁構造を形成するバネ３１−１，３１−２，３１−３，３１―４からなる弾性部片のそれぞれと電磁的に結合して前記弾性部片に伝わる歪みを電気信号に変換するそれぞれのコイル３２−１，３２−２，３２−３，３２−４の出力を加算して出力するようにしたので、複数の梁構造を形成する複数の弾性部片および複数の弾性部片に共通の錘３６によって、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる検査装置を提供することができる。
【００２８】
実施の形態３．
この発明による実施の形態３を図６について説明する。図６は実施の形態３における構成を示す側面図である。
この実施の形態３において、ここで説明する特有の構成および方法以外の構成内容および方法内容については、先に説明した実施の形態１における構成および方法と同一の構成内容および方法内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００２９】
図６は上記振動センサの構造が上部構造と下部構造に分割され、上部構造と下部構造を錘により接続する構成例を示している。
図中のバネ３１−１Ｕ，３１−２Ｕおよびコイル３２−１Ｕ，３２−２Ｕは上部構造を示し、バネ３１−１Ｌ，３１−２Ｌおよびコイル３２−１Ｌ，３２−２Ｌは下部構造を示している。
また、錘３６はこれら上部構造および下部構造のバネ３１−１Ｕ，３１−２Ｕおよび３１−１Ｌ，３１−２Ｌを端部にて接続し、この構造により振動センサ３の構造強度を高めることが可能になるとともに、センサロッド３０の軸方向に対する変位感度を上記実施の形態に比較し、さらに加算的に高めることが可能としている。
【００３０】
ここでは、振動センサ３の上部構造（バネ３１−１Ｕ，３１−２Ｕ）と下部構造（バネ３１−１Ｌ，３１−２Ｌ），センサロッド３０，錘３６が閉鎖した振動検知用磁気回路ＭＣを構成している。
コイル３２−１Ｕ，３２−２Ｕおよび３２−１Ｌ，３２−２Ｌは、それぞれバネ３１−１Ｕ，３１−２Ｕおよび３１−１Ｌ，３１−２Ｌの巻回されて電磁的に結合される。したがって、コイル３２−１Ｕ，３２−２Ｕおよび３２−１Ｌ，３２−２Ｌは、振動検知用磁気回路ＭＣと電磁的に結合され、振動検知用磁気回路ＭＣによる磁束に応じた振動検知出力を導出する。
【００３１】
この発明による実施の形態３によれば、実施の形態１または実施の形態２における構成内容において、前記振動センサ３には、磁性体からなるセンサロッド３０と、前記センサロッド３０と垂直方向に延在して一端を前記センサロッド３０に結合し他端を磁性体からなる錘３６に結合して上部構造である第１構造体を構成する磁性を有する板バネ３１−１Ｕ，３１−２Ｕからなる第１の弾性部片と、前記センサロッド３０と垂直方向に延在して一端を前記第１の弾性部片と前記センサロッド３０の異なる軸方向位置で前記センサロッド３０に結合し他端を前記第１の弾性部片と共通の錘３６に結合して下部構造である第２構造体を構成する磁性を有する板バネ３１−１Ｌ，３１−２Ｌからなる第２の弾性部片とが設けられ、前記センサロッド３０と前記第１および第２構造体ならびに前記錘３６により振動検知用磁気回路ＭＣを構成するとともに、この振動検知用磁気回路ＭＣにコイル３２−１Ｕ，３２−２Ｕおよびコイル３２−１Ｌ，３２−２Ｌを電磁的に結合するようにしたので、複数の梁構造を形成する複数の弾性部片および複数の弾性部片に共通の錘３６により構成される振動検知用磁気回路によって、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる検査装置を提供することができる。
【００３２】
実施の形態４．
この発明による実施の形態４を図７について説明する。図７は実施の形態４における全体構成を示す側面図である。
この実施の形態４において、ここで説明する特有の構成および方法以外の構成内容および方法内容については、先に説明した実施の形態１における構成と同一の構成内容および方法内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００３３】
図７では、上記振動センサ３の上部構造（バネ３１−１Ｕ，３１−２Ｕ）と下部構造（バネ３１−１Ｌ，３１−２Ｌ），センサロッド３０，錘３６が閉鎖した振動検知用磁気回路ＭＣを構成し、さらに、センサロッド３０内部にバネを構成する金属材料の動作点を決定するバイアス磁石３７が埋設された構造を示している。
この構造により、バイアス磁石の磁力線はセンサロッドからバネを経由し錘に入り、さらにセンサロッドに戻る振動検知用磁気回路ＭＣを通る閉鎖路を構成し、図４に示す逆磁歪特性の動作点を調整することが可能になる。
上部構造と下部構造を錘により接続する構成例を示している。図中のバネ３１−１Ｕ，３１−２Ｕおよびコイル３２−１Ｕ，３２−２Ｕは上部構造を示し、バネ３１−１Ｌ，３１−２Ｌおよびコイル３２−１Ｌ，３２−２Ｌは下部構造を示している。
また、錘３６はこれら上部構造および下部構造のバネ３１−１Ｕ，３１−２Ｕおよび３１−１Ｌ，３１−２Ｌを端部にて接続し、この構造により振動センサ３の構造強度を高めることが可能になるとともに、センサロッド軸方向に対する変位感度を上記実施の形態７に比較し、さらに加算的に高めることが可能としている。
【００３４】
この発明による実施の形態４によれば、実施の形態３における構成において、前記センサロッド３０にバイアス磁石３７を設け、前記振動検知用磁気回路ＭＣの動作点を設定するようにしたので、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出でき、しかも、動作点を適切に設定できる検査装置を提供することができる。
【００３５】
実施の形態５．
この発明による実施の形態５を図８について説明する。図８は実施の形態５における全体構成を示す側面図および端面図である。
この実施の形態５において、ここで説明する特有の構成および方法以外の構成内容および方法内容については、先に説明した実施の形態１における構成および方法と同一の構成内容および方法内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００３６】
図８はこの発明の実施の形態５に関わる構成図である。
図８において、計測対象面１０に接して回転する回転体１の回転軸２０は曲げ歪により透磁率が変化する金属材料で構成され、さらに、この回転軸２０にはコイル５２が交叉状に巻線を施されている。
回転軸の素材は実施の形態１に表記されているような金属合金磁歪材（実施の形態１と同じく特開平１０−８８３０１号公報に開示されている磁歪材）で構成されている。
このコイル５２の出力はフィルタ４１に接続され、さらに信号処理装置４２に接続されている。
【００３７】
このように構成された振動センサ３は、振動センサ３を構成する回転体１，回転軸２０および回転軸の軸受５３からなる回転梁の構造を構成する。
この構造は、回転軸２０の軸長中央に位置する回転体１が対象面１０を移動する時、対象面１０の振動を回転軸２０に伝達する。
この構造では、この構造特有の共振振動周波数ｆを有しており、この共振振動を数ｋＨｚ以下の周波数に設定するために回転軸２０のバネ係数、軸受５３の質量を選定することにより、外部振動入力に対して選択的な振動応答を示すバネ−マス系が構成できる。
この構造はさらに、回転軸２０および軸受５３によって閉鎖した振動検知用磁気回路ＭＣを構成し、軸受５３に埋設されたバイアス磁石５４により、振動検知用磁気回路ＭＣにおける動作点を適切に設定できる構造となっている。
【００３８】
この実施の形態は以上のように構成されているため、回転体１の回転軸２０および軸受５３が振動センサを構成し、振動検出のための特別な付加機構が不要でコンパクトな振動センサとして利用できる効果がある。
【００３９】
この発明による実施の形態５によれば、測定対象面１０に接触しながら回転する回転体１と、前記回転体１の回転軸２０を受ける軸受５３とを備え、前記回転体１の回転軸２０を曲げ歪により透磁率が変化する磁性材料で構成し、前記回転軸２に電磁的に結合するコイル５２により、前記回転軸２に回転体１から伝達される振動を検出し、かつ、前記回転軸２０のたわみ振動の共振周波数が所定の周波数以下となるように前記回転軸２０の形状と軸受５３の位置を決定したので、回転体の回転軸における曲げ歪による透磁率の変化を利用して、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる簡潔な構成の検査装置を提供することができる。
【００４０】
実施の形態６．
この発明による実施の形態６を図９について説明する。図９は実施の形態６における全体構成を示す側面図である。
この実施の形態６において、ここで説明する特有の構成および方法以外の構成内容および方法内容については、先に説明した実施の形態１における構成および方法と同一の構成内容および方法内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００４１】
実施の形態６による検査装置は、上記検査装置をシステム構成要素とし自動的に計測を行うシステムを提供しようとするものである。
図９で、診断対象物を加振する加振機構６は、加振機構を制御する加振制御機構６１に接続され、さらに計測制御装置６２に接続されている。
一方、回転移動しながら診断対象面の振動を検出する前記振動センサ３は、振動センサの検出信号を濾波するフィルタ４１に接続され、さらにこのフィルタの出力に対し信号処理を行う信号処理装置４２に接続されている。
これら信号処理装置の出力はさらに計測制御装置６２に接続されている。
また、計測制御機構６２は、これら振動センサから出力され信号処理されたデータを収集し、データ記録装置６３に記録する。
【００４２】
この実施の形態による検査装置は以上のように構成されているため、予め設定された計測対象面の計測線を移動するよう移動方向を設定されると、計測制御装置６２が加振制御信号を定期的に、あるいは定ピッチで加振制御機構６１に出力し、加振機構６は対象面１０をハンマー６０で加振する。
このとき、対象面を回転移動している振動センサ３は計測対象面に発生する振動応答を検出し、この出力は計測制御装置６２に接続されているデータ記録装置６３に記録されることが可能となる。
【００４３】
この発明による実施の形態６によれば、実施の形態１ないし実施の形態５のいずれかの構成において、測定対象面に衝撃振動を加えるための電気信号を加振力に変換する加振機構６を有するので、電気信号により衝撃振動を確実に生成して、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる検査装置を提供することができる。
【００４４】
実施の形態７．
この発明による実施の形態７を図１０について説明する。図１０は実施の形態７における全体構成を示す側面図である。
この実施の形態７において、ここで説明する特有の構成および方法以外の構成内容および方法内容については、先に説明した実施の形態１ないし実施の形態６における構成および方法と同一の構成内容および方法内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００４５】
図１０で、前記実施の形態６で開示された検査装置は新たに台車３００を装備し、台車３００には、支持機構３００−１，３００−２，３００−３，３００−４が設置されている。
ここで、加振機構６は支持機構３００−１に支持され、台車３００に接続されている。
また、振動センサ３を構成するセンサロッド３０は、支持機構３００−２により支持され、台車３００に接続されている。
さらに、駆動回転体３０１が回転駆動機構３０２により駆動されるよう構成されるとともに、支持機構３００−３により台車３００に接続されている。
また、移動量検出機構３０３が支持機構３００−４を介して同じく台車３００に接続されている。
また、回転駆動機構３０２は、回転駆動機構３０２を制御する駆動制御装置７１に接続されている。移動量検出機構３０３は現在位置算出装置７２に接続されている。
これらの新たな構成要素を統括制御するため前記計測制御装置６２は、前述した実施の形態６における図９の構成から、さらに、駆動制御装置７１，現在位置算出装置７２に接続されている。
【００４６】
この実施の形態７による検査装置は、以上のように構成されているため、計測制御装置６２に予め与えられた指令プログラムに基づき、自走して計測線上を移動し、ハンマーにより打振し、振動センサ３により自動的に定ピッチで計測することができる。
【００４７】
この発明による実施の形態７によれば、実施の形態１ないし実施の形態６のいずれかの構成において、加振機構６および振動センサ３ならびに移動量検出機構３０３を設けた台車３００を移動自在に駆動する回転駆動機構３０２を備え、計測制御装置６２に予め与えられた指令プログラムに基づき、前記台車３００を計測線上において移動し、加振機構６による振動を前記振動センサ３によって検知して測定対象の検査を行うようにしたので、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できるとともに、所定の計測線上を自走して的確に検査できる検査装置を提供することができる。
【００４８】
実施の形態８．
この発明による実施の形態８を図１１について説明する。図１１は実施の形態８における全体構成を示す側面図である。
この実施の形態８において、ここで説明する特有の構成および方法以外の構成内容および方法内容については、先に説明した実施の形態１における構成および方法と同一の構成内容および方法内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００４９】
図１１においては、前記実施の形態７で開示された検査装置に新たに面粗度計測機構８０、および移動速度増減装置７３が接続されており、面粗度計測機構８０はフィルタ４１、計測制御装置６２、および移動速度増減装置７３と接続されている。
また、移動速度増減装置７３は、面粗度計測機構８０および駆動制御装置７１と接続されている。
【００５０】
この実施の形態の動作は、面粗度計測機構８０が、速度信号処理装置４２の出力（周波数応答）と、計測制御機構６２の移動速度指令値に基づき、面粗度を算出する。
面粗度計測機構８０はこのようにして得られた面粗度の周波数を基に、フィルタ４１の阻止帯域をこの面粗度の周波数を含むように調節するとともに、移動速度増減機構７３に指令を出し、欠陥を測定するための数ｋＨｚの帯域から除外するよう動作する。
【００５１】
この発明による実施の形態８によれば、回転体１の移動により計測対象面の面粗度に応じて発生する振動応答を検知する面粗度検出機構８０と、面粗度検出機構８０から出力される周波数に基づき回転体１の速度を増減し面粗度による振動周波数を制御する速度増減機構７３を備えたので、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出でき、しかも、計測対象面の面粗度による影響を抑制できる検査装置を提供することができる。
【００５２】
また、この発明による実施の形態８によれば、回転体１の移動により計測対象面の面粗度に応じて回転体１の速度を増減し面粗度による振動周波数を制御するので、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出でき、しかも、計測対象面の面粗度による影響を抑制できる検査方法を提供することができる。
【００５３】
実施の形態９．
この発明による実施の形態９を図１２について説明する。図１２は実施の形態９における全体構成を示す側面図である。
この実施の形態９において、ここで説明する特有の構成および方法以外の構成内容および方法内容については、先に説明した実施の形態１における構成および方法と同一の構成内容および方法内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００５４】
図１２で、診断対象物を加振する加振機構６は、加振機構を制御する加振制御機構６１に接続され、さらに計測制御装置６２に接続されている。
一方、回転移動しながら診断対象面の振動を検出する複数の前記振動センサ３−１，３−２（本例では２つの振動センサの例を開示するが、振動センサの数は２つ以上でもいい）は、振動センサの検出信号をフィルタリングするフィルタ４１−１，４１−２に接続され、さらに、このフィルタの出力に対し信号処理を行う信号処理装置４２−１，４２−２に接続されている。これら信号処理装置の出力はさらに計測制御装置６２に接続されている。
また、計測制御機構６２は、これら振動センサから出力され信号処理されたデータを収集し、データ記録装置６３に記録する。
【００５５】
この実施の形態による検査装置は以上のように構成されているため、予め設定された計測対象面上で計測制御装置６２が加振制御信号を定期的、あるいは定ピッチで加振制御機構６１に出力することにより、加振機構６は対象面１０をハンマー６０で加振する。
このとき、対象面を回転移動している複数の振動センサ３−１、３−２は計測対象面に発生する振動応答を同じに検出し、このため、ハンマー６０で加振されたことにより対象面に発生する表面波は振動センサ３−１，３−２の出力から計測制御装置６２の中でキャンセルし、診断対象面内部から発生する欠陥の振動のみ選択的、かつ感度高く検出できることとなる。
【００５６】
この発明による実施の形態９によれば、実施の形態１ないし実施の形態８のいずれかの構成において、同方向に回転される回転体１−１，１−２にそれぞれ接続された複数の振動センサ３−１，３−２と、前記複数の振動センサ３−１，３−２からの検出信号を入力する信号処理装置４２−１，４２−１とを備え、前記信号処理装置４２−１，４２−１により、前記複数の振動センサ３−１，３−２で測定対象面の表面波によって生ずる信号を相殺するので、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できるとともに、測定対象面の表面波による影響を的確に抑制できる検査装置を提供することができる。
【００５７】
また、この発明による実施の形態９によれば、実施の形態１ないし実施の形態８のいずれかの構成において、同方向に回転される回転体１−１，１−２にそれぞれ接続された複数の振動センサ３−１，３−２からの検出信号を信号処理し、前記複数の振動センサ３−１，３−２で測定対象面の表面波によって生ずる信号を相殺するので、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できるとともに、測定対象面の表面波による影響を的確に抑制できる検査方法を提供することができる。
【００５８】
この発明による実施の形態における検査装置は、以上のように構成されているため、振動センサの共振周波数を選択的に選定できるとともに、対象物に欠陥が存在する場合に発生する数ｋＨｚの低周波の振動周波数を高感度に検出できる特性を具備することが可能になる。
また、欠陥回転体が対象面に常に接触し、対象面内部に発生する振動を回転体を停止させることなく、回転しながら常時検出できる効果がある。このため、従来の検査装置に見られるような計測時に停止し、計測のためのセンサを対象面に接し、計測を行うような手間が省かれる。
これは道路の舗装面のような広く、あるいは大きい対象面を計測する場合には非常に効率の良い手法となり、計測時間の短縮のみならず、計測効率の増大に大いに貢献することとなる。
また、磁気歪素材を呈する金属材料にて振動センサを構成しているため、電気的インピーダンスが極めて小さく、低周波振動に高感度な欠陥検出が可能になる。
さらに、移動計測に伴う面粗度の雑音振動をフィルタ、および速度調節により除去・低減し高いＳ／Ｎを確保することが可能になる。
また、移動機構と計測制御装置の搭載により、自動的に計測できるシステムを構築できる効果がある。
【００５９】
【発明の効果】
この発明によれば、回転体の回転軸における曲げ歪による透磁率の変化を利用して、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる簡潔な構成の検査装置を提供することができる。
また、この発明によれば、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出でき、しかも、計測対象面の面粗度による影響を抑制できる検査方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による実施の形態１における全体構成を示す側面図である。
【図２】 この発明による実施の形態１における欠陥が存在することにより発生する振動の周波数帯域を示す曲線図である。
【図３】 この発明による実施の形態１における金属材料の逆磁歪特性を示す曲線図である。
【図４】 この発明による実施の形態１における振動センサの検出信号を示す波形図である。
【図５】 この発明による実施の形態２における全体構成を示す上面図および側面図である。
【図６】 この発明による実施の形態３における全体構成を示す側面図である。
【図７】 この発明による実施の形態４における全体構成を示す側面図である。
【図８】 この発明による実施の形態５における全体構成を示す側面図および端面図である。
【図９】 この発明による実施の形態６における全体構成を示す側面図である。
【図１０】 この発明による実施の形態７における全体構成を示す側面図である。
【図１１】 この発明による実施の形態８における全体構成を示す側面図である。
【図１２】 この発明による実施の形態９における全体構成を示す側面図である。
【符号の説明】
１ 回転体、２ 軸受、３ 振動センサ、３０ センサロッド、３１ 板バネ、３２ コイル、３３，３６ 錘、４１ フィルタ、４２ 信号処理装置。
【発明の属する技術分野】
この発明は、検査装置および検査方法、特に、トンネル，橋梁，床版，建築物，工業製品などの内部に存在する欠陥を検出する非破壊検査装置および非破壊検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の検査装置においては、打撃検査装置は、検査対象物の表面に沿って走行させるための台車と、この台車に取り付けられ、検査対象物を打撃するための打撃手段と、台車に取り付けられ、打撃によって励起された音波又は振動を測定するための測定手段と、この測定手段によって測定された振動波形から、所定の振動波形の特性値を抽出するための特性抽出手段とこの特性抽出手段によって抽出された特性値を所定のしきい値と比較するための比較手段と、この比較手段による比較結果に基づいて、検査対象物に関する判定をするための判定手段とを有することを特徴としている。
更に、測定手段は検査対象物の表面を転がるためのコロがあり、コロはアームに取り付けられ、そのアームにはコロを検査対象物の表面に押しつけるためのバネが設けられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３３３４３７号公報（第１頁、図６）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の打撃検査装置は以上のように構成されているため、コロの弾性と、コロおよびアーム等の質量とによって形成される固有周波数に対応した振動成分や、押しつけバネとコロおよびアーム等の質量とによって形成される固有周波数に対応する振動成分を検出する必要があった。
一般に、このような機構が有する質量やバネ係数は、構造的な制約により自由に設計できるものではなく、欠陥が存在する場合に発生する振動成分が必ずしも効率よく検出できないという課題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、対象面への接触により対象面内部の振動を効率良く検出することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る検査装置では、測定対象面に接触しながら回転する回転体と、前記回転体の回転軸を受ける軸受とを備え、前記回転体の回転軸を曲げ歪により透磁率が変化する磁性材料で構成し、前記回転軸に電磁的に結合するコイルにより、前記回転軸に回転体から伝達される振動を検出し、かつ、前記回転軸のたわみ振動の共振周波数が所定の周波数以下となるように前記回転軸の形状と軸受位置を決定したものである。
また、この発明に係る検査方法では、測定対象面に接触しながら回転する回転体により測定対象の検査を行うにあたり、前記回転体により得られる前記測定対象面に発生する振動の所定周波数以下の振幅成分を選択的に電気信号に変換するとともに、計測対象面の面粗度に応じて回転体の速度を増減し面粗度による振動周波数を制御するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明による実施の形態１を図１ないし図４について説明する。図１は実施の形態１における全体構成を示す側面図である。図２は実施の形態１における欠陥が存在することにより発生する振動の周波数帯域を示す曲線図である。図３は実施の形態１における金属材料の逆磁歪特性を示す曲線図である。図４は実施の形態１における振動センサの検出信号を示す波形図である。
【０００８】
図１において、計測対象面（例えば道路舗装面）１０に接して回転する回転体１が設けられている。
この回転体１には、回転体１の回転軸２０を支承する軸受２を介して振動センサ３が接続されている。
振動センサ３には、軸受２と振動センサ本体３とを接続するセンサロッド３０に交差して垂直角方向に伸展された梁構造を有する板バネ３１が設置されている。
振動センサ３において、板バネ３１には板バネの金属材料をコアとしてさらにコイル３２が巻かれており、このコイルの出力はフィルタ４１に接続され、さらに信号処理装置４２に接続されている。
【０００９】
ここで、回転体１は例えば（硬化ゴム状の）弾性体で構成される。一般に凹凸のある面上を移動する弾性回転体の上下方向の振動は低速（低周波）において振動をよく伝達し、高速（高周波）においては振動が減衰する低域透過特性を有している。
この発明による回転体１では、特に数ｋＨｚ以下の低周波において伝達特性が良好であるような弾性体を選定している。
このため、対象面表面の面粗度によるような高周波の振動は吸収するが、それよりも周波数の低いたわみ振動の変動はセンサロッドに伝播させるような選択的特性を有する特性が実現される。
【００１０】
次に、振動センサ３０を構成するバネ３１について説明する。
この発明によるバネ３１は、板バネとしての曲げ剛性を有するとともに、磁気歪め効果を有する機構部品で構成される。
このため、バネ３１の素材は金属材料であり、例えば特開平１０−８８３０１号公報「鉄−コバルト合金板の製造方法」に開示されているＦｅ−Ｃｏ合金磁歪スラブ素材（例えば、Ｃ：０．００８重量％、Ｓｉ：０．０８重量％、Ｍｎ：０．０７重量％、Ｃｏ：４９．２２重量％、Ｖｔ：１．５４６重量％、Ｆｅ：残部）を加熱後、圧延終了温度約７５０〜１１００℃の条件下で４．０ｍｍ未満の板厚に熱間圧延し、その後直ちにジェット噴流により急冷するプロセスから生成されるような素材により構成される。
ここで例示した金属材料は、スラブ合金から薄板として製造され、これから容易に板バネ用の部材を切削加工することができ、また優れた磁気歪特性を有している。
【００１１】
次に、振動センサの機械的構成について説明する。
振動センサ３は振動センサの板バネ３１および振動センサの錘３３からなる片持ち梁の構造をなすよう構成されている。
この構造は、この構造特有の固有振動周波数ｆを有しており、次の式１により決定される周波数で表される。
ｆ＝（３ＥＩｇ／〔｛１＋（３３／１４０）α｝ｌ３ｗ〕）１／２／２π （式１）
ここで、ｌは板バネ３１のアーム長［ｃｍ］、Ｅは縦弾性係数［ｋｇ／ｃｍ２］、Ｉは断面二次モーメント［ｃｍ４］、ｗはバネ３１の単位長さ当たりの重量［ｋｇ／ｃｍ／ｃｍｓ２］である。また、αはα＝Ｗ１／Ｍｇで定義された係数である。いま、板バネ３１の重量Ｗｌに対して十分質量が大きい錘Ｍを付加することにより（α≪１）、共振周波数は上記式１で近似される周波数で共振する。
この発明においては、この共振振動数を数ｋＨｚ以下の周波数に設定しており、板バネ３１の縦弾性係数（Ｅ）およびアーム長（ｌ）ならびに錘３３の質量（Ｍ）を選定することにより、外部振動入力に対して選択的な振動応答を示すバネ−マス系が構成されている。
【００１２】
ここで選定された数ｋＨｚ以下の周波数帯域は、対象構造物内部に欠陥が存在する場合に顕著に観測されるたわみ振動の周波数であり、図３に示すように、対象物内部に存在する欠陥サイズと欠陥位置に対応し数ｋＨｚ以下の周波数が発生することが理論的に得られており、また実験的に確認されている。
【００１３】
なお、欠陥に起因する振動を発生させる手段としては対象面への機械的衝撃が考えられ、機械的なハマリング機構により対象面を打振することを前提としている。例えば、多角形の回転体を転がすことにより発生する定期的な打振力を利用してもいいし、またスプリング機構を有するハンマーで定期的に対象面を打振してもいい。
【００１４】
次に、動作について説明する。
計測対象面１０上を回転体１が回転移動し、計測ポイント上で機械的なハンマリング機構により計測対象面上を打振すると、この打振による衝撃により対象面内の欠陥と対象表面が形成する板構造が振動する。このため対象面１０の回転体と接触している部位の振動が垂直方向の振動成分を伝達し、回転体の回転軸を受ける軸受が振動し、さらに、上記軸受に接続されているセンサロッドに振動が伝わる。
【００１５】
以上のように対象面を打振する手段により発生した振動を、振動センサで選択的に検出する。以下、板バネがたわむことにより振動を検出する原理を示す。
図４は板バネを構成する磁歪材のひずみ−磁束密度変化の模式図を示す。この図に示すように、金属磁歪材から構成されるバネ３１の逆磁歪効果は、ひずみの変化（ξ２−ξ１＝Δξ）により、磁化の変化（ΔＭ＝Ｍ２−Ｍ１）を発生する。
すなわち、センサロッドの振動により発生する板バネのたわみ振動は、板バネアーム部の屈曲面の部分的伸縮を交互に生成せしめ、このひずみが磁歪材の透磁率を変化させ、結果としてバネ材内部の磁化が変化する。
この磁化の変化（ΔＭ）はアームに巻かれたコイルに電磁誘導を起し、コイル内にコイルの巻数に応じた起電力が発生する。振動の振幅が大きいほど板バネ３１のひずみが大きくなり、誘導される起電力は大きくなる。
【００１６】
一方、振動の周波数に応じてひずみの周波数も変化するため、誘導される起電力の周波数は外部から印加される振動の周波数と一致することとなる。このため、周波数の検出が可能になる。
ここで、板バネの形態を採用する理由は、磁歪材の弾性特性から梁構造が大きなひずみを生成しうるためであり、梁のたわみ理論から自明のように、曲げに伴うたわみ振動の固有周波数が数ｋＨｚレベルに周波数に設定するのに最適な構成である。
【００１７】
図４（ａ）は、コイルに誘起された起電力により流れる電流の波形例を示している。図で横軸は時間、縦軸は電流を示している。
この図が示すように、振動の大きさ、および周波数は電流の振幅、および周波数として検出される。
一方、図４（ｂ）は、前記図４（ａ）の時間応答をフーリエ交換し周波数スペクトルで表現したものである。
図から、振動応答が数ｋＨｚ以下の低周波であること、欠陥が存在するとき振動応答の特定周波数での振幅が大きくなることがわかる。
【００１８】
以上のように、検出された振動は電気信号（電流）に変換され、信号処理部４２に入力される。
信号処理部４２では予め設定された電気的フィルタ４１が用意され、入力された電気信号からさらに特定の周波数の信号が選択的に検出されることになる。
【００１９】
この実施の形態１に示す構成では、回転体１が移動することにより対象表面の面粗度（凹凸）に伴う振動が発生する。この振動は、対象面の面粗度と回転体の移動速度でその周波数が決まるような振動であり、例えば面粗度をなす要因がアスファルトのような材質で、その粗さが数ｃｍ（例えばアスファルト面）の場合、回転体の移動速度を数１０ｃｍ／ｓ（数ｋｍ／ｈｒ）とすると、数１０〜数１００Ｈｚとなるような振動である。
一般には、このような振動応答は、この発明により構成される振動センサの共振帯域を外れることとなる。
この実施の形態では、電気的フィルタ４１を設け、検出信号をフィルタ４１に通すことにより、このような面粗度に伴う雑音振動をさらに除去する。即ち、欠陥の検出信号とそれ以外の信号比であるＳ／Ｎ比の改善を図ることができる。
【００２０】
この発明による実施の形態１によれば、測定対象面１０に接触しながら回転する回転体１と、前記回転体１の回転軸２０を受ける軸受２とを備え、前記軸受２に接続され前記測定対象面に発生する振動の数ｋＨｚ以下の振幅成分、すなわち所定の周波数以下の振幅成分のみを選択的に電気信号に変換する振動センサ３を設けたので、所定の周波数以下の振幅成分のみを選択的に得ることによって、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる検査装置を提供することができる。
【００２１】
また、この発明による実施の形態１によれば、前項の構成内容において、前記振動センサ３は、板バネ３１からなる弾性部片と錘３３で構成され、そのバネ定数と質量で決まる共振周波数が数ｋＨｚ以下、すなわち所定の周波数以下になるように調整したので、弾性部片と錘からなる系の共振周波数を調整することによって、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる検査装置を提供することができる。
【００２２】
さらに、この発明による実施の形態１によれば、前項の構成内容において、前記の振動センサ３の板バネ３１からなる板状弾性部片は、曲げ歪により透磁率が変化する金属磁性材料で構成され、前記金属磁性材料で構成された板バネ３１からなる板状弾性部片と電磁的に結合されたコイル３２により板バネ３１からなる板状弾性部片に伝わる歪みを電気信号に変換するようにしたので、弾性部片の曲げ歪による透磁率の変化を利用することによって、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる検査装置を提供することができる。
【００２３】
そして、この発明による実施の形態１によれば、前３項のいずれかの構成において、面粗度により生じる振動信号を濾波するフィルタ４１を設けたので、面粗度により生じる信号を除去することによって、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出でき、しかも、測定対象面の面粗度による影響を抑制できる検査装置を提供することができる。
【００２４】
さらにまた、この発明による実施の形態１によれば、測定対象面への接触により回転する回転体１により測定対象の検査を行うにあたり、前記回転体１により得られる前記測定対象面に発生する振動の数ｋＨｚ以下、すなわち所定周波数以下の振幅成分のみを選択的に電気信号に変換するようにしたので、所定周波数以下の振幅成分のみを選択的にることによって、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる検査方法を提供することができる。
【００２５】
実施の形態２．
この発明による実施の形態２を図５に基づいて説明する。図５は実施の形態２における全体構成を示す上面図および側面図である。
この実施の形態２において、ここで説明する特有の構成および方法以外の構成内容および方法内容については、先に説明した実施の形態１における構成および方法と同一の構成内容および方法内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００２６】
図５は振動センサ３の構成要素である板バネとコイルの他の構成例を示している。図５（ａ）は上面図を示し、図５（ｂ）は側面図を示している。
図５に示すように、板バネ３１−１，３１−２，３１−３，３１―４は、センサロッド軸３０に対して垂直方向に放射状に伸展する複数の梁構造を有し（本例では４方向に伸展する梁構造を例示している）、板バネ３１−１，３１−２，３１−３，３１―４からなる複数の梁は、錘体３６と端部において接続されている。
錘体３６は板バネ３１−１，３１−２，３１−３，３１―４からなる複数の梁において共通に一体化された構造を形成し（本例では円筒構造にて例示、但し形状は円筒に限定されるものではない）、この構造により、機械的な強度が高まるとともに、構造全体で動作する振動を同位相で検出できる構造となっている。
また、各バネ３１−１，３１−２，３１−３，３１―４に交差するコイル３２−１，３２−２，３２−３，３２−４の出力はその信号出力が加算されるような接続（図示せず）を行っている。
この構成例では、先に示した図１の構成例と比較し、個々のコイルの出力が加算され、さらに大きな検出信号が得られる効果がある。
【００２７】
この発明による実施の形態２によれば、実施の形態１における構成内容において、前記振動センサには、振動センサ３の中心に位置するセンサロッド３０に対して放射状に延在する複数の梁構造を形成し、一端を前記センサロッドに結合し他端を前記複数の梁構造において共通の一体化された円筒状等の形状を有する錘３６に接続される磁性を有するバネ３１−１，３１−２，３１−３，３１―４からなる複数の弾性部片が設けられ、前記複数の梁構造を形成するバネ３１−１，３１−２，３１−３，３１―４からなる弾性部片のそれぞれと電磁的に結合して前記弾性部片に伝わる歪みを電気信号に変換するそれぞれのコイル３２−１，３２−２，３２−３，３２−４の出力を加算して出力するようにしたので、複数の梁構造を形成する複数の弾性部片および複数の弾性部片に共通の錘３６によって、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる検査装置を提供することができる。
【００２８】
実施の形態３．
この発明による実施の形態３を図６について説明する。図６は実施の形態３における構成を示す側面図である。
この実施の形態３において、ここで説明する特有の構成および方法以外の構成内容および方法内容については、先に説明した実施の形態１における構成および方法と同一の構成内容および方法内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００２９】
図６は上記振動センサの構造が上部構造と下部構造に分割され、上部構造と下部構造を錘により接続する構成例を示している。
図中のバネ３１−１Ｕ，３１−２Ｕおよびコイル３２−１Ｕ，３２−２Ｕは上部構造を示し、バネ３１−１Ｌ，３１−２Ｌおよびコイル３２−１Ｌ，３２−２Ｌは下部構造を示している。
また、錘３６はこれら上部構造および下部構造のバネ３１−１Ｕ，３１−２Ｕおよび３１−１Ｌ，３１−２Ｌを端部にて接続し、この構造により振動センサ３の構造強度を高めることが可能になるとともに、センサロッド３０の軸方向に対する変位感度を上記実施の形態に比較し、さらに加算的に高めることが可能としている。
【００３０】
ここでは、振動センサ３の上部構造（バネ３１−１Ｕ，３１−２Ｕ）と下部構造（バネ３１−１Ｌ，３１−２Ｌ），センサロッド３０，錘３６が閉鎖した振動検知用磁気回路ＭＣを構成している。
コイル３２−１Ｕ，３２−２Ｕおよび３２−１Ｌ，３２−２Ｌは、それぞれバネ３１−１Ｕ，３１−２Ｕおよび３１−１Ｌ，３１−２Ｌの巻回されて電磁的に結合される。したがって、コイル３２−１Ｕ，３２−２Ｕおよび３２−１Ｌ，３２−２Ｌは、振動検知用磁気回路ＭＣと電磁的に結合され、振動検知用磁気回路ＭＣによる磁束に応じた振動検知出力を導出する。
【００３１】
この発明による実施の形態３によれば、実施の形態１または実施の形態２における構成内容において、前記振動センサ３には、磁性体からなるセンサロッド３０と、前記センサロッド３０と垂直方向に延在して一端を前記センサロッド３０に結合し他端を磁性体からなる錘３６に結合して上部構造である第１構造体を構成する磁性を有する板バネ３１−１Ｕ，３１−２Ｕからなる第１の弾性部片と、前記センサロッド３０と垂直方向に延在して一端を前記第１の弾性部片と前記センサロッド３０の異なる軸方向位置で前記センサロッド３０に結合し他端を前記第１の弾性部片と共通の錘３６に結合して下部構造である第２構造体を構成する磁性を有する板バネ３１−１Ｌ，３１−２Ｌからなる第２の弾性部片とが設けられ、前記センサロッド３０と前記第１および第２構造体ならびに前記錘３６により振動検知用磁気回路ＭＣを構成するとともに、この振動検知用磁気回路ＭＣにコイル３２−１Ｕ，３２−２Ｕおよびコイル３２−１Ｌ，３２−２Ｌを電磁的に結合するようにしたので、複数の梁構造を形成する複数の弾性部片および複数の弾性部片に共通の錘３６により構成される振動検知用磁気回路によって、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる検査装置を提供することができる。
【００３２】
実施の形態４．
この発明による実施の形態４を図７について説明する。図７は実施の形態４における全体構成を示す側面図である。
この実施の形態４において、ここで説明する特有の構成および方法以外の構成内容および方法内容については、先に説明した実施の形態１における構成と同一の構成内容および方法内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００３３】
図７では、上記振動センサ３の上部構造（バネ３１−１Ｕ，３１−２Ｕ）と下部構造（バネ３１−１Ｌ，３１−２Ｌ），センサロッド３０，錘３６が閉鎖した振動検知用磁気回路ＭＣを構成し、さらに、センサロッド３０内部にバネを構成する金属材料の動作点を決定するバイアス磁石３７が埋設された構造を示している。
この構造により、バイアス磁石の磁力線はセンサロッドからバネを経由し錘に入り、さらにセンサロッドに戻る振動検知用磁気回路ＭＣを通る閉鎖路を構成し、図４に示す逆磁歪特性の動作点を調整することが可能になる。
上部構造と下部構造を錘により接続する構成例を示している。図中のバネ３１−１Ｕ，３１−２Ｕおよびコイル３２−１Ｕ，３２−２Ｕは上部構造を示し、バネ３１−１Ｌ，３１−２Ｌおよびコイル３２−１Ｌ，３２−２Ｌは下部構造を示している。
また、錘３６はこれら上部構造および下部構造のバネ３１−１Ｕ，３１−２Ｕおよび３１−１Ｌ，３１−２Ｌを端部にて接続し、この構造により振動センサ３の構造強度を高めることが可能になるとともに、センサロッド軸方向に対する変位感度を上記実施の形態７に比較し、さらに加算的に高めることが可能としている。
【００３４】
この発明による実施の形態４によれば、実施の形態３における構成において、前記センサロッド３０にバイアス磁石３７を設け、前記振動検知用磁気回路ＭＣの動作点を設定するようにしたので、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出でき、しかも、動作点を適切に設定できる検査装置を提供することができる。
【００３５】
実施の形態５．
この発明による実施の形態５を図８について説明する。図８は実施の形態５における全体構成を示す側面図および端面図である。
この実施の形態５において、ここで説明する特有の構成および方法以外の構成内容および方法内容については、先に説明した実施の形態１における構成および方法と同一の構成内容および方法内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００３６】
図８はこの発明の実施の形態５に関わる構成図である。
図８において、計測対象面１０に接して回転する回転体１の回転軸２０は曲げ歪により透磁率が変化する金属材料で構成され、さらに、この回転軸２０にはコイル５２が交叉状に巻線を施されている。
回転軸の素材は実施の形態１に表記されているような金属合金磁歪材（実施の形態１と同じく特開平１０−８８３０１号公報に開示されている磁歪材）で構成されている。
このコイル５２の出力はフィルタ４１に接続され、さらに信号処理装置４２に接続されている。
【００３７】
このように構成された振動センサ３は、振動センサ３を構成する回転体１，回転軸２０および回転軸の軸受５３からなる回転梁の構造を構成する。
この構造は、回転軸２０の軸長中央に位置する回転体１が対象面１０を移動する時、対象面１０の振動を回転軸２０に伝達する。
この構造では、この構造特有の共振振動周波数ｆを有しており、この共振振動を数ｋＨｚ以下の周波数に設定するために回転軸２０のバネ係数、軸受５３の質量を選定することにより、外部振動入力に対して選択的な振動応答を示すバネ−マス系が構成できる。
この構造はさらに、回転軸２０および軸受５３によって閉鎖した振動検知用磁気回路ＭＣを構成し、軸受５３に埋設されたバイアス磁石５４により、振動検知用磁気回路ＭＣにおける動作点を適切に設定できる構造となっている。
【００３８】
この実施の形態は以上のように構成されているため、回転体１の回転軸２０および軸受５３が振動センサを構成し、振動検出のための特別な付加機構が不要でコンパクトな振動センサとして利用できる効果がある。
【００３９】
この発明による実施の形態５によれば、測定対象面１０に接触しながら回転する回転体１と、前記回転体１の回転軸２０を受ける軸受５３とを備え、前記回転体１の回転軸２０を曲げ歪により透磁率が変化する磁性材料で構成し、前記回転軸２に電磁的に結合するコイル５２により、前記回転軸２に回転体１から伝達される振動を検出し、かつ、前記回転軸２０のたわみ振動の共振周波数が所定の周波数以下となるように前記回転軸２０の形状と軸受５３の位置を決定したので、回転体の回転軸における曲げ歪による透磁率の変化を利用して、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる簡潔な構成の検査装置を提供することができる。
【００４０】
実施の形態６．
この発明による実施の形態６を図９について説明する。図９は実施の形態６における全体構成を示す側面図である。
この実施の形態６において、ここで説明する特有の構成および方法以外の構成内容および方法内容については、先に説明した実施の形態１における構成および方法と同一の構成内容および方法内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００４１】
実施の形態６による検査装置は、上記検査装置をシステム構成要素とし自動的に計測を行うシステムを提供しようとするものである。
図９で、診断対象物を加振する加振機構６は、加振機構を制御する加振制御機構６１に接続され、さらに計測制御装置６２に接続されている。
一方、回転移動しながら診断対象面の振動を検出する前記振動センサ３は、振動センサの検出信号を濾波するフィルタ４１に接続され、さらにこのフィルタの出力に対し信号処理を行う信号処理装置４２に接続されている。
これら信号処理装置の出力はさらに計測制御装置６２に接続されている。
また、計測制御機構６２は、これら振動センサから出力され信号処理されたデータを収集し、データ記録装置６３に記録する。
【００４２】
この実施の形態による検査装置は以上のように構成されているため、予め設定された計測対象面の計測線を移動するよう移動方向を設定されると、計測制御装置６２が加振制御信号を定期的に、あるいは定ピッチで加振制御機構６１に出力し、加振機構６は対象面１０をハンマー６０で加振する。
このとき、対象面を回転移動している振動センサ３は計測対象面に発生する振動応答を検出し、この出力は計測制御装置６２に接続されているデータ記録装置６３に記録されることが可能となる。
【００４３】
この発明による実施の形態６によれば、実施の形態１ないし実施の形態５のいずれかの構成において、測定対象面に衝撃振動を加えるための電気信号を加振力に変換する加振機構６を有するので、電気信号により衝撃振動を確実に生成して、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる検査装置を提供することができる。
【００４４】
実施の形態７．
この発明による実施の形態７を図１０について説明する。図１０は実施の形態７における全体構成を示す側面図である。
この実施の形態７において、ここで説明する特有の構成および方法以外の構成内容および方法内容については、先に説明した実施の形態１ないし実施の形態６における構成および方法と同一の構成内容および方法内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００４５】
図１０で、前記実施の形態６で開示された検査装置は新たに台車３００を装備し、台車３００には、支持機構３００−１，３００−２，３００−３，３００−４が設置されている。
ここで、加振機構６は支持機構３００−１に支持され、台車３００に接続されている。
また、振動センサ３を構成するセンサロッド３０は、支持機構３００−２により支持され、台車３００に接続されている。
さらに、駆動回転体３０１が回転駆動機構３０２により駆動されるよう構成されるとともに、支持機構３００−３により台車３００に接続されている。
また、移動量検出機構３０３が支持機構３００−４を介して同じく台車３００に接続されている。
また、回転駆動機構３０２は、回転駆動機構３０２を制御する駆動制御装置７１に接続されている。移動量検出機構３０３は現在位置算出装置７２に接続されている。
これらの新たな構成要素を統括制御するため前記計測制御装置６２は、前述した実施の形態６における図９の構成から、さらに、駆動制御装置７１，現在位置算出装置７２に接続されている。
【００４６】
この実施の形態７による検査装置は、以上のように構成されているため、計測制御装置６２に予め与えられた指令プログラムに基づき、自走して計測線上を移動し、ハンマーにより打振し、振動センサ３により自動的に定ピッチで計測することができる。
【００４７】
この発明による実施の形態７によれば、実施の形態１ないし実施の形態６のいずれかの構成において、加振機構６および振動センサ３ならびに移動量検出機構３０３を設けた台車３００を移動自在に駆動する回転駆動機構３０２を備え、計測制御装置６２に予め与えられた指令プログラムに基づき、前記台車３００を計測線上において移動し、加振機構６による振動を前記振動センサ３によって検知して測定対象の検査を行うようにしたので、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できるとともに、所定の計測線上を自走して的確に検査できる検査装置を提供することができる。
【００４８】
実施の形態８．
この発明による実施の形態８を図１１について説明する。図１１は実施の形態８における全体構成を示す側面図である。
この実施の形態８において、ここで説明する特有の構成および方法以外の構成内容および方法内容については、先に説明した実施の形態１における構成および方法と同一の構成内容および方法内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００４９】
図１１においては、前記実施の形態７で開示された検査装置に新たに面粗度計測機構８０、および移動速度増減装置７３が接続されており、面粗度計測機構８０はフィルタ４１、計測制御装置６２、および移動速度増減装置７３と接続されている。
また、移動速度増減装置７３は、面粗度計測機構８０および駆動制御装置７１と接続されている。
【００５０】
この実施の形態の動作は、面粗度計測機構８０が、速度信号処理装置４２の出力（周波数応答）と、計測制御機構６２の移動速度指令値に基づき、面粗度を算出する。
面粗度計測機構８０はこのようにして得られた面粗度の周波数を基に、フィルタ４１の阻止帯域をこの面粗度の周波数を含むように調節するとともに、移動速度増減機構７３に指令を出し、欠陥を測定するための数ｋＨｚの帯域から除外するよう動作する。
【００５１】
この発明による実施の形態８によれば、回転体１の移動により計測対象面の面粗度に応じて発生する振動応答を検知する面粗度検出機構８０と、面粗度検出機構８０から出力される周波数に基づき回転体１の速度を増減し面粗度による振動周波数を制御する速度増減機構７３を備えたので、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出でき、しかも、計測対象面の面粗度による影響を抑制できる検査装置を提供することができる。
【００５２】
また、この発明による実施の形態８によれば、回転体１の移動により計測対象面の面粗度に応じて回転体１の速度を増減し面粗度による振動周波数を制御するので、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出でき、しかも、計測対象面の面粗度による影響を抑制できる検査方法を提供することができる。
【００５３】
実施の形態９．
この発明による実施の形態９を図１２について説明する。図１２は実施の形態９における全体構成を示す側面図である。
この実施の形態９において、ここで説明する特有の構成および方法以外の構成内容および方法内容については、先に説明した実施の形態１における構成および方法と同一の構成内容および方法内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００５４】
図１２で、診断対象物を加振する加振機構６は、加振機構を制御する加振制御機構６１に接続され、さらに計測制御装置６２に接続されている。
一方、回転移動しながら診断対象面の振動を検出する複数の前記振動センサ３−１，３−２（本例では２つの振動センサの例を開示するが、振動センサの数は２つ以上でもいい）は、振動センサの検出信号をフィルタリングするフィルタ４１−１，４１−２に接続され、さらに、このフィルタの出力に対し信号処理を行う信号処理装置４２−１，４２−２に接続されている。これら信号処理装置の出力はさらに計測制御装置６２に接続されている。
また、計測制御機構６２は、これら振動センサから出力され信号処理されたデータを収集し、データ記録装置６３に記録する。
【００５５】
この実施の形態による検査装置は以上のように構成されているため、予め設定された計測対象面上で計測制御装置６２が加振制御信号を定期的、あるいは定ピッチで加振制御機構６１に出力することにより、加振機構６は対象面１０をハンマー６０で加振する。
このとき、対象面を回転移動している複数の振動センサ３−１、３−２は計測対象面に発生する振動応答を同じに検出し、このため、ハンマー６０で加振されたことにより対象面に発生する表面波は振動センサ３−１，３−２の出力から計測制御装置６２の中でキャンセルし、診断対象面内部から発生する欠陥の振動のみ選択的、かつ感度高く検出できることとなる。
【００５６】
この発明による実施の形態９によれば、実施の形態１ないし実施の形態８のいずれかの構成において、同方向に回転される回転体１−１，１−２にそれぞれ接続された複数の振動センサ３−１，３−２と、前記複数の振動センサ３−１，３−２からの検出信号を入力する信号処理装置４２−１，４２−１とを備え、前記信号処理装置４２−１，４２−１により、前記複数の振動センサ３−１，３−２で測定対象面の表面波によって生ずる信号を相殺するので、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できるとともに、測定対象面の表面波による影響を的確に抑制できる検査装置を提供することができる。
【００５７】
また、この発明による実施の形態９によれば、実施の形態１ないし実施の形態８のいずれかの構成において、同方向に回転される回転体１−１，１−２にそれぞれ接続された複数の振動センサ３−１，３−２からの検出信号を信号処理し、前記複数の振動センサ３−１，３−２で測定対象面の表面波によって生ずる信号を相殺するので、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できるとともに、測定対象面の表面波による影響を的確に抑制できる検査方法を提供することができる。
【００５８】
この発明による実施の形態における検査装置は、以上のように構成されているため、振動センサの共振周波数を選択的に選定できるとともに、対象物に欠陥が存在する場合に発生する数ｋＨｚの低周波の振動周波数を高感度に検出できる特性を具備することが可能になる。
また、欠陥回転体が対象面に常に接触し、対象面内部に発生する振動を回転体を停止させることなく、回転しながら常時検出できる効果がある。このため、従来の検査装置に見られるような計測時に停止し、計測のためのセンサを対象面に接し、計測を行うような手間が省かれる。
これは道路の舗装面のような広く、あるいは大きい対象面を計測する場合には非常に効率の良い手法となり、計測時間の短縮のみならず、計測効率の増大に大いに貢献することとなる。
また、磁気歪素材を呈する金属材料にて振動センサを構成しているため、電気的インピーダンスが極めて小さく、低周波振動に高感度な欠陥検出が可能になる。
さらに、移動計測に伴う面粗度の雑音振動をフィルタ、および速度調節により除去・低減し高いＳ／Ｎを確保することが可能になる。
また、移動機構と計測制御装置の搭載により、自動的に計測できるシステムを構築できる効果がある。
【００５９】
【発明の効果】
この発明によれば、回転体の回転軸における曲げ歪による透磁率の変化を利用して、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出できる簡潔な構成の検査装置を提供することができる。
また、この発明によれば、測定対象面への接触により測定対象内部の振動を効率良く検出でき、しかも、計測対象面の面粗度による影響を抑制できる検査方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による実施の形態１における全体構成を示す側面図である。
【図２】 この発明による実施の形態１における欠陥が存在することにより発生する振動の周波数帯域を示す曲線図である。
【図３】 この発明による実施の形態１における金属材料の逆磁歪特性を示す曲線図である。
【図４】 この発明による実施の形態１における振動センサの検出信号を示す波形図である。
【図５】 この発明による実施の形態２における全体構成を示す上面図および側面図である。
【図６】 この発明による実施の形態３における全体構成を示す側面図である。
【図７】 この発明による実施の形態４における全体構成を示す側面図である。
【図８】 この発明による実施の形態５における全体構成を示す側面図および端面図である。
【図９】 この発明による実施の形態６における全体構成を示す側面図である。
【図１０】 この発明による実施の形態７における全体構成を示す側面図である。
【図１１】 この発明による実施の形態８における全体構成を示す側面図である。
【図１２】 この発明による実施の形態９における全体構成を示す側面図である。
【符号の説明】
１ 回転体、２ 軸受、３ 振動センサ、３０ センサロッド、３１ 板バネ、３２ コイル、３３，３６ 錘、４１ フィルタ、４２ 信号処理装置。
Claims (7)
- 測定対象面に接触しながら回転する回転体と、前記回転体の回転軸を受ける軸受とを備え、前記回転体の回転軸を曲げ歪により透磁率が変化する磁性材料で構成し、前記回転軸に電磁的に結合するコイルにより、前記回転軸に回転体から伝達される振動を検出し、かつ、前記回転軸のたわみ振動の共振周波数が所定の周波数以下となるように前記回転軸の形状と軸受位置を決定したことを特徴とする検査装置。
- 回転体の移動により計測対象面の面粗度に応じて発生する振動応答を検知する面粗度検出機構と、面粗度検出機構から出力される周波数に基づき回転体の速度を増減し面粗度による振動周波数を制御する速度増減機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
- 同方向に回転される回転体にそれぞれ接続された複数の振動センサと、前記複数の振動センサからの検出信号を入力する信号処理装置とを備え、前記信号処理装置により、前記複数の振動センサで測定対象面の表面波によって生ずる信号を相殺することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の検査装置。
- 測定対象面に衝撃振動を加えるための電気信号を加振力に変換する加振機構を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の検査装置。
- 面粗度により生じる振動信号を濾波するフィルタを設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の検査装置。
- 測定対象面に接触しながら回転する回転体により測定対象の検査を行うにあたり、前記回転体により得られる前記測定対象面に発生する振動の所定周波数以下の振幅成分を選択的に電気信号に変換するとともに、計測対象面の面粗度に応じて回転体の速度を増減し面粗度による振動周波数を制御することを特徴とする検査方法。
- 同方向に回転される回転体にそれぞれ接続された複数の振動センサ検出信号を信号処理し、前記複数の振動センサで測定対象面の表面波によって生ずる信号を相殺することを特徴とする請求項６に記載の検査方法。
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